多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件的制备方法，涉及气敏传感器技术领域，用于解决多孔硅对NO2气体响应灵敏度低的问题，所述制备方法包括以下步骤：清洗单晶硅片；利用电化学腐蚀法制备多孔硅；利用化学气相输运沉积在多孔硅基底沉积VO2纳米颗粒，形成多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件。通过巨大的比表面积和异质结结构，多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件在室温下对NO2气体的灵敏度有较大的提高，同时有着良好的选择性。有着良好的选择性。有着良好的选择性。

【技术实现步骤摘要】
多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种气敏传感元件的制备方法，尤其涉及多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件的制备方法。

技术介绍

[0002]2020年5月18日，生态环境部公布了《(2019中国生态环境状况公报》。公报数据显示，酸雨区面积约47.4万平方千米，其中硝酸根是主要的阴离子之一，当量浓度比例为9.7％。8月11日，生态环境部公布了《(中国移动源环境管理年报(2020)》，该年报主要介绍了2019年全国移动源环境管理情况。据年报统计，汽车是污染物排放总量的主要贡献者，其排放的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NO
x
)和颗粒物(PM)超过90％。2019年全国机动车保有量达到3.48亿辆，比2018年增长6.4％，全国机动车污染物排放总量为1603.8万吨，其中氮氧化物(NO
x
)排放量为635.6万吨，占总污染物排放量的39.63％。由此可见，随着现代工业技术的迅猛发展，NO2引起的环境污染日趋严重，是影响空气质量的主要污染物，也是形成酸雨的主要气体；同时其可以引起水体富营养化，严重影响生态系统的稳定；若不慎吸入人体内，会损害呼吸系统和中枢神经系统。因此，设计一种对NO2气体具有高灵敏度，快速响应的低功耗气敏传感器具有非常重要的意义。
[0003]多孔硅因其优异的室温探测性能，独特的孔道结构、可调控的孔隙率以及高的表面活性，引起许多气敏研究者的注意。然而对于多孔硅材料来说，传感器响应时间长、选择性较差、灵敏度较低的缺点改进是目前科研人员面临的挑战。目前，在多孔硅表面复合金属氧化物气敏材料，形成异质结结构是提高多孔硅气敏性能的重要方法。随着对气敏材料的深入研究，二氧化钒(VO2)作为一种新兴的金属氧化物气敏材料，具有制备简单，成本低，能够实现在室温探测NO2、CH4的特点，逐渐受到越来越多的重视和关注。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提出多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件的制备方法，在该制备方法中，既提高了多孔硅对NO2气体的灵敏度，又缩短了响应时间。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件的制备方法，包括如下步骤：
[0006](1)硅基片的清洗
[0007]腐蚀前，对P型单晶硅片进行清洗，清洗步骤如下：首先，浓硫酸和双氧水混合液中浸泡20min；然后，将氢氟酸溶液与去离子水的混合溶液中浸泡20min；最后，分别在丙酮和乙醇进行超声清洗5min，并放入无水乙醇中备用；
[0008](2)制备多孔硅
[0009]将步骤(1)清洗完毕的硅片通过双槽电化学腐蚀法制备多孔硅，腐蚀液由氢氟酸和N，N-二甲基甲酰胺混合而成。腐蚀电流密度为100mA/cm2，腐蚀时间为8min。腐蚀过程中，
硅片中面向阴极的抛光表面进行电化学腐蚀反应，形成面积为16mm
×
4mm的长方形多孔硅层。
[0010](3)制备多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构
[0011]采用化学气相输运沉积方法，在步骤(2)得到的多孔硅基底表面沉积VO2纳米颗粒。首先将0.1g V2O5粉末放在石英舟上，将多孔硅基片放在石英舟的下游位置。最后，将石英舟和多孔硅衬底一起放入石英管(400mm
×
40mm)中，并将石英管放置在管式炉(GSL-1400X)的中心位置。生长参数如下：沉积温度为900℃，氩气气体流量为60sccm，沉积时间为3h，沉积压强为330Pa。
[0012](4)制备多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件
[0013]在步骤(3)得到的多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构置于JCP-200真空磁控溅射镀膜机中，制备金属银电极，从而构建气敏传感元件。采用金属银作为靶材，氩气气体流量为20sccm，本体真空度为4.0
×
10-4
Pa，溅射工作压强为2Pa左右，溅射功率为30W，溅射时间为4min，在多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构表面制备一对Ag方块电极，电极的尺寸为3mm
×
3mm，电极间距为1.1cm。
[0014]本专利技术的有益效果：提出了一种多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构的制备方法，形成具有较大比表面积和异质结结构的多孔硅基VO2纳米颗粒的复合结构。通过调控VO2纳米颗粒的沉积压强，研究复合结构对NO2气敏性能的影响。该方法通过复合金属氧化物VO2纳米颗粒的方式，有效提高多孔硅在室温下对NO2气体的灵敏度，缩短响应时间，同时对NO2气体有良好的选择性。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例的实施方式，下面将对实施例描述中所需要使用的附图以示例性而非限制性的方式作简单地介绍。
[0016]图1为本专利技术实施例所制备的多孔硅表面扫描电子显微镜照片；
[0017]图2为本专利技术实施例所制备的多孔硅断面扫描电子显微镜照片；
[0018]图3为本专利技术实施例所制备的多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构表面扫描电子显微镜照片；
[0019]图4为本专利技术实施例所制备的多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构的X射线衍射图谱；
[0020]图5为本专利技术实施例所制备的多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构的EDS图谱；
[0021]图6为本专利技术实施例所制备的多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构高倍透射电子显微镜照片；
[0022]图7为本专利技术实施例所制备的多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构高倍透射电子显微镜对应的FFT图谱；
[0023]图8为本专利技术实施例所制备的多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件对1-5ppm NO2气体的动态响应曲线；
[0024]图9为本专利技术实施例所制备的多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件对多种气体的选择性示意图。
具体实施方式
[0025]下面结合具体实施例对本专利技术进一步详细的说明。
[0026]实施例1
[0027](1)硅基片的清洗
[0028]将电阻率为10-20Ω
·
cm，厚度为400
±
10μm的单抛单晶P型(100)取向的硅片进行切割，切割成24
×
8mm的矩形硅片。然后对其进行清洗。清洗步骤如下：首先，在体积比为3∶1的浓硫酸H2SO4(98％)和双氧水H2O2(30％混合液中浸泡20min，以去除硅片表面的有机物和金属杂质；然后，将20％的氢氟酸溶液(40％的HF溶液与去离子水以体积比1∶1混合)中浸泡20min，去除硅片表面的自然氧化层；最后，分别在丙酮和乙醇进行超声清洗5min。
[0029](2)制备多孔硅
[0030]将步骤(1)得到的硅片放入由氢氟酸(HF，40wt.％)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF，99.5wt.％)混合而成的腐蚀溶液中，HF与DMF的体积比为1∶2。腐蚀电流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构气敏传感元件的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)硅基片的清洗腐蚀前，对P型单晶硅片进行清洗，清洗步骤如下：首先，浓硫酸和双氧水混合溶液中浸泡20min；然后，在氢氟酸溶液与去离子水的混合溶液中浸泡20min；最后，分别在丙酮和乙醇进行超声清洗5min，并放入无水乙醇中备用；(2)制备多孔硅将步骤(1)清洗完毕的硅片通过双槽电化学腐蚀法制备多孔硅。腐蚀液由氢氟酸和N，N-二甲基甲酰胺混合而成，腐蚀电流密度为100mA/cm2，腐蚀时间为8min。硅片面向阴极的抛光表面一侧发生电化学腐蚀反应，形成面积为16mm
×
4mm的长方形多孔硅层。(3)制备多孔硅基VO2纳米颗粒复合结构采用化学气相输运沉积方法，在步骤(2)得到的多孔硅基底表面沉积VO2纳米颗粒。首先将0.1g V2O5粉末放在石英舟上，将多孔硅基片放在石英舟的下游位置。最后，将石英舟和多孔硅衬底一起放入石英管(400mm
×

【专利技术属性】
技术研发人员：梁继然，张颖，吴文豪，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：